概述
控制論(cybernetics)的誕生是20世紀最偉大的科學成就之一。現代社會的許多新概念和新技術都與控制論有密切聯系??刂普撌亲詣涌刂啤㈦娮蛹夹g、無線電通訊、計算機技術、神經生理學、數理邏輯、語言等多種學科相互滲透的產物,它以各類系統所共同具有的通訊和控制方面的特征為研究對象,不論是機器還是生物體,甚或是社會,盡管各屬不同性質的系統,但它們都是根據周圍環(huán)境的某些變化來調整和決定自己的運動??刂普摰膭?chuàng)始人是美國數學家諾伯特·維納(Norbert Wiener,1894~1964)。
1948年,他出版了他的奠基性著作《控制論》,標志著這門新興的邊緣學科的誕生。該書的副標題是“關于在動物或機器中控制或通訊的科學”,這就是他對控制論所下的定義。cybernetics一詞來源于希臘文kubernan,原意為steersman,即“掌舵人”,轉意是“管理人的藝術”。
信息反饋問題的提出
20世紀30~40年代,人們對信息(information)和反饋(feedback)有了比較深刻的認識,一些著名科學家圍繞信息和反饋進行了大量的研究。英國統計學家費希爾(RonaldAylmerFisher,1890~1962)從古典統計理論的角度研究了信息理論,提出了單位信息量的問題;美國電信工程師香農(Claude Elwood Shannon,1916~2001)從通信工程的角度研究了信息量的問題,提出了信息熵的公式;維納則從控制的觀點研究了有噪聲的信號處理問題,建立了維納濾波理論,并分析了信息的概念,提出了測定信息量的公式和信息的實質問題。他們幾乎同時解決了信息的度量問題。這一時期,人們逐漸深入了解到反饋控制系統的工作原理。1932年,美國通信工程師奈奎斯特(Harry Nyquist1889~1976)發(fā)現了負反饋放大器的穩(wěn)定性條件,即著名的奈奎斯特穩(wěn)定判據。1945年,維納把反饋概念推廣到一切控制系統,把反饋理解為從受控對象的輸出中提取一部分信息作為下一步輸入,從而對再輸出發(fā)生影響的過程。巴甫洛夫條件反射學說也證明了生命體中也存在信息和反饋問題。 維納與他人的合作
維納在改進防空武器時發(fā)現,動物和機器中控制和通信的核心問題是信息、信息傳輸和信息處理。維納與美國神經生理學家羅森布盧斯(Arturo Rosenblueth,1900~1970)合作研究這個課題長達10余年(1934~1947)之久。羅森布盧斯是墨西哥人,是當時哈佛大學醫(yī)學院著名生理學家坎農(Walter Bradford Cannon,1871~1945)教授的同事和合作者,深受坎農的器重。在20世紀30年代,羅森布盧斯每個月都要舉行關于科學方法的討論會。維納此時也在哈佛大學醫(yī)學院工作,維納和許多哈佛醫(yī)學院的青年科學家,包括數學、物理、電子、工程、生理、心理、醫(yī)學等各行各業(yè)的專家,都參加了由羅森布盧斯領導的討論會。他們每次都圍著圓桌聚餐,一起自由談話,毫無拘束。飯后,由他們集體中的一員,或者是一位邀請來的客人,宣讀一篇關于某個科學問題的論文,一般是關于方法論問題的論文。宣讀者必須經受一通尖銳的批評,批評是善意的,但是毫不留情的。這對于那些思想半通不通的人,不曾有充分自我批評的人,那種過分自信而妄自尊大的人,真是一劑良好的瀉藥,受不了的人下次就不再來了。但對這些參加聚餐和討論會的??蛡儯簧偃烁械将@益匪淺,對于科技的發(fā)展有重要的、經久性的促進作用。 維納和羅森布盧斯早就認識到,現代科學技術的發(fā)展,一方面日益成為專門家在愈來愈狹窄的領域內進行的事業(yè),使一些科學家淪為狹隘分工的奴隸;另一方面又出現各門學科相互交叉走向綜合的趨勢,提出了許多需要各門學科共同研究的問題,這與原有的狹隘的專業(yè)分工,發(fā)生了尖銳的矛盾。如何解決這些矛盾呢?他們認為,正是這些科學的邊緣區(qū)域,給有修養(yǎng)的研究者提供了最豐富的機會。也就是說,只要打破原有的狹隘的專業(yè)分工界限,集合一批既是他自己領域的專家,又對他的鄰近的領域有較多知識的人。如讓數學家、數理邏輯學家、生理學家去接觸工程,讓工程師熟悉生理學。這樣,到未被開發(fā)的科學處女地去勘查、開墾和耕耘,就能在科學上得到最大的收獲。
維納自己也說:在上述共同工作中,數學家(他本人就是數學家)不需要有領導一個生理學實驗的本領,但卻需要有了解一個生理學實驗、批判一個實驗和建議別人去進行一個實驗的本領;生理學家(羅森布盧斯就是生理學家)不需要有證明某一個數學定理的本領,但是必須能夠了解數學定理中的生理學意義,能夠告訴數學家他應當去尋找什么東西。
1942年5月梅西基金會舉行的關于大腦抑制問題的科學討論會提出,通信工程和控制工程領域內已經研究成熟的信息和反饋的概念和方法,可能有助于神經生理學的研究。此時控制論的思想已經形成,但還沒有正式命名。1943~1944年之交在普林斯頓召開了一次控制論思想的科學討論會,進一步確認了控制論思想,認為在不同領域的工作者之間存在共同的思想基礎,一個科學領域可以運用另一個科學領域發(fā)展得比較成熟的概念和方法。1946~1953年間,梅西基金會發(fā)起了一系列關于反饋問題的科學討論會,對于控制論的發(fā)展產生很大的推動作用。
維納控制論的正式提出
維納抓住了一切通信和控制系統的共同特點,即它們都包含著一個信息傳輸和信息處理的過程。他指出:一個通信系統總是根據人們的需要傳輸各種不同的思想內容的信息,一個自動控制系統必須根據周圍環(huán)境的變化,自己調整自己的運動,具有一定的靈活性和適應性。通信和控制系統接收的信息帶有某種隨機性質,具有一定的統計分布,通信和控制系統本身的結構也必須適應這種統計性質,能對一類在統計上預期要收到的輸入做出統計上令人滿意的動作。維納與他的合作者們終于在1947年成功地創(chuàng)立了“控制論”這個嶄新的學科,翌年,出版了《控制論》一書,引起國際學術界的廣泛矚目。
除維納外,方法論聚餐會的參加者后來都各有建樹:羅森布盧斯也是控制論和人工智能的開拓者之一;馮。諾伊曼(Johnvon Neumann,1903~1957)成為博弈論的奠基人,二進位制電子計算機的創(chuàng)始人之一;別格勞(Julian Himely Bigelow,1913~2003)是電子計算機設計的最早參加者;麥克卡洛(Warren Sturgis Mc Culloch,1898~1969)和匹茨(Walter Pitts,1923-1969)成為神經控制論和人工智能的奠基人。事實證明,正是這些年輕科學家,在“各種已經建立起來的部門之間的被人忽視的無人區(qū)”里得到了最大收獲,大大豐富和發(fā)展了科學。 控制論的貢獻
對生理學來說,控制論的貢獻是巨大的。最突出的是把工程概念中的反饋概念(feedback idea)引入到生物系統中來。大大豐富和發(fā)展了生理學。由克勞德·伯爾納于上世紀提出的“內環(huán)境恒定”概念,進而被坎農發(fā)展為穩(wěn)態(tài)(homeostasis)理論,成為生命科學中現代基本概念之一,其意義是重大的;但如果沒有反饋性自動調節(jié)機制,那將是完全不可思議的。
控制論的應用
1949年,美國內分泌生理學家豪斯金斯(Roy Graham Hoskins,1880~1964)響應維納的建議,首先把反饋概念引入到內分泌領域,指出甲狀腺與垂體之間存在反饋機制。1956年瑞典的馮。奧伊勒(UlfSvon Euler,1905~1983)等注射少量甲狀腺素于垂體前葉,使甲狀腺釋放的放射性碘隨之減少,從而更進一步證實了負反饋是機體機能精確調節(jié)的不可缺少的重要環(huán)節(jié)。